全清華

（中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412000）

0 引 言

在當今日益發(fā)展的通信領域，多進多出（Multiple-Input and Multiple-Output，MIMO）技術(shù)作為一種有效提高通信系統(tǒng)性能的手段，引起廣泛關(guān)注[1-2]。為滿足高容量、高速率、低時延等通信需求，研究者們不斷研究與優(yōu)化MIMO 系統(tǒng)。軟件定義無線電（Software Defined Radio，SDR）技術(shù)作為一種靈活、可配置的通信平臺，為MIMO 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)提供全新的可能性[3-4]。該背景下，文章聚焦于基于SDR的現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）加速的MIMO 通信系統(tǒng)設計，以探討其在提高通信系統(tǒng)性能方面的潛在優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

文章設計的基于SDR 的FPGA 加速的MIMO 通信系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。圖1 結(jié)構(gòu)包括SDR 前端處理單元、SDR 核心處理單元、FPGA 加速單元以及MIMO 后端處理單元[5]。SDR 前端處理單元負責射頻信號的接收和發(fā)射，通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）或數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Converter，DAC）將射頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號或從中頻信號還原為射頻信號。SDR 核心處理單元包括數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）和MIMO 信號處理算法，用于信號的處理、濾波、解調(diào)，并實施MIMO 技術(shù)。FPGA 加速單元包括MIMO 算法加速器和并行計算單元，通過硬件加速提高系統(tǒng)的實時性和處理速度。MIMO 后端處理單元包括DAC/RF 后端和射頻后端，負責將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，并進行射頻信號調(diào)制和解調(diào)，與其他通信設備無縫連接。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設計

2 基于SDR 的信號轉(zhuǎn)換與處理方法

SDR 前端處理單元和SDR 核心處理單元在射頻信號接收、數(shù)字信號處理及MIMO 信號處理方面的交互關(guān)系如圖2 所示。

圖2 SDR 的基本原理

設射頻信號為x(t)，經(jīng)過RF 前端后為yRF(t)，經(jīng)過ADC 轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號為yADC(t)，該過程用公式表示為

SDR 核心處理單元包括DSP 和MIMO 信號處理算法，其數(shù)學描述如下：設數(shù)字信號為y(n)，DSP 模塊進行信號處理、濾波及解調(diào)，得到處理后的信號z(n)。同時，MIMO 信號處理算法處理輸入信號，包括信號分離、合并等操作，得到MIMO 系統(tǒng)的輸出信號為

3 基于FPGA 的MIMO 系統(tǒng)設計

文章設計的基于FPGA的MIMO系統(tǒng)如圖3所示，由發(fā)射模塊和接收模塊2 個部分組成。

圖3 MⅠMO 通信系統(tǒng)

發(fā)射機中，數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊對原始數(shù)據(jù)進行編碼，編碼后的數(shù)據(jù)通過卷積模塊進行卷積，生成發(fā)送天線的調(diào)制符號。調(diào)制符號經(jīng)交織模塊進行交織，以提升系統(tǒng)的抗干擾性。交織后的調(diào)制符號經(jīng)空時編碼模塊進行空時編碼，以提高系統(tǒng)的空間復用增益?？諘r編碼后的調(diào)制符號經(jīng)發(fā)射分集模塊進行發(fā)射分集，以提升系統(tǒng)的抗衰落性。發(fā)射分集后的調(diào)制符號經(jīng)快速傅里葉逆變換模塊進行快速傅里葉逆變換，生成射頻信號。射頻信號通過加前導訓練序列模塊插入前導訓練序列，協(xié)助接收機進行信道估計。

接收機中，接收天線接收射頻信號后，信道模塊進行信道估計。信道估計后的信號經(jīng)快速傅里葉變換模塊進行快速傅里葉變換，分離導頻和數(shù)據(jù)符號。導頻和數(shù)據(jù)符號經(jīng)過頻偏估計模塊進行頻偏估計，消除信號在信道中的頻偏。頻偏估計后的數(shù)據(jù)符號通過定時估計模塊確定數(shù)據(jù)符號的采樣時刻后，再經(jīng)解交織模塊進行解交織。解交織后的數(shù)據(jù)符號通過解調(diào)模塊進行解調(diào)，恢復為原始數(shù)據(jù)，再通過接收分集模塊進行接收分集，提升系統(tǒng)的抗衰落性。接收分集后的原始數(shù)據(jù)通過空時解碼模塊進行空時解碼，提高系統(tǒng)的空間復用增益?？諘r解碼后的原始數(shù)據(jù)通過譯碼模塊進行譯碼，消除編碼過程中引入的錯誤。

在具體技術(shù)實現(xiàn)方面，發(fā)射機采用D-BLAST技術(shù)，接收機應用最大比合并（Maximum Ratio Combining，MRC）技術(shù)。在信道估計方面，采用基于最小均方算法（Least Mean Square，LMS）算法的方法。

D-BLAST 技術(shù)是一種基于層次分解的空時編碼技術(shù)。其核心思想是通過分層處理，將多個天線的信號分解為多個獨立的數(shù)據(jù)流，從而提高系統(tǒng)的空間復用增益。設有Nt個天線的發(fā)射機，對應的信號向量為，通過空時編碼矩陣進行編碼，產(chǎn)生Nt個獨立的調(diào)制符號。接收機的信道矩陣為，其中Nr為接收天線數(shù)。接收信號向量可表示為

式中：n為加性高斯白噪聲，是與y維度相同的向量。通過使用MRC 技術(shù)，接收機可以優(yōu)化對每個獨立數(shù)據(jù)流的解調(diào)過程。

MRC 技術(shù)是一種基于最大似然估計的接收分集技術(shù)，其基本原理是最大化接收信號與其估計之間的信噪比。設接收到的信號向量為，對應的發(fā)射信號向量為，則通過對信道矩陣hiH和s進行內(nèi)積運算，可以得到每個天線上的接收信號向量為

式中：hi為接收信號經(jīng)過第i個天線的信道；ni為對應的噪聲，是與yi維度相同的向量。最終，MRC 技術(shù)通過選擇合適的權(quán)重系數(shù)，將各個天線上的信號合并，從而最大化整體信噪比。

LMS 算法是一種迭代更新權(quán)重的算法，用于實現(xiàn)自適應濾波。在信道估計中，假設真實信道矩陣為Htrue，估計信道矩陣為Hest。通過最小化估計誤差的均方誤差，LMS 算法的更新規(guī)則可以表示為

式中：μ為步長參數(shù)；r(n)為估計誤差向量；sH表示s的共軛轉(zhuǎn)置。LMS 算法通過迭代優(yōu)化權(quán)重矩陣，逐步逼近真實信道矩陣，從而實現(xiàn)準確的信道估計。

4 系統(tǒng)仿真與分析

為驗證所提方法的正確性，文章在MATLAB 中進行基于SDR 的FPGA 加速的MIMO 通信系統(tǒng)設計仿真，主要包括SDR 硬件支持包的安裝、SDR 設備連接、MATLAB 腳本的編寫、FPGA 加速部分的模擬以及性能評估結(jié)果可視化。文章從誤碼率（Symbol Error Rate，SER）的角度評估并對比行基于SDR 的FPGA 加速的MIMO 通信系統(tǒng)（以下簡稱文章設計系統(tǒng)）方法和基于SDR 的MIMO 系統(tǒng)（以下簡稱SDR系統(tǒng)），測試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)仿真結(jié)果的誤碼率

圖4 結(jié)果表明：在低信噪比（0 ～22 dB）下，文章設計系統(tǒng)和SDR 系統(tǒng)2 條曲線的誤碼率差距相對較小，表明系統(tǒng)在較差的信道條件下仍然能夠提供良好的通信性能；在高信噪比（22 ～30 dB）下，文章設計系統(tǒng)的誤碼率顯著低于SDR 系統(tǒng)，這可能說明文章設計系統(tǒng)中SDR 和FPGA 的結(jié)合在高信噪比環(huán)境中的確切效益。這種性能差異可能是由于FPGA加速技術(shù)在復雜信號處理任務上的優(yōu)勢所致。由此表明，與SDR 系統(tǒng)相比，文章設計系統(tǒng)在高信噪比下具有更好的性能，誤碼率更低。這種性能差異可能源于系統(tǒng)中引入FPGA 加速技術(shù)，提高系統(tǒng)在高信噪比情況下的處理效率和性能。

5 結(jié) 論

文章綜合應用SDR 和FPGA 技術(shù)，深入研究MIMO 通信系統(tǒng)的設計與優(yōu)化。在總體架構(gòu)設計方面，構(gòu)建通用性系統(tǒng)，可以提高系統(tǒng)的適應性和可維護性。通過SDR 的信號轉(zhuǎn)換與處理方法，系統(tǒng)能夠有效適應不同信道條件和通信標準。引入FPGA 加速技術(shù)后，提升系統(tǒng)的實時性和處理速度。在理論分析方面，對提出的方法進行深入討論，揭示系統(tǒng)的性能優(yōu)勢。文章的研究為未來MIMO 通信系統(tǒng)設計提供有益的思路和方法，為提高通信系統(tǒng)性能和應對不斷發(fā)展的通信需求提供了創(chuàng)新性的解決途徑。